碱性电化学能量转换反应用催化剂组合物及其用途制造技术

一种催化剂组合物及其用途。所述催化剂组合物包括载体以及附着于载体表面的至少一种Ru

【技术实现步骤摘要】
碱性电化学能量转换反应用催化剂组合物及其用途
本专利技术是有关于一种催化剂组合物，且特别是有关于一种碱性电化学能量转换反应用催化剂组合物及其用途。
技术介绍
氢经济(hydrogeneconomy)是以氢为媒介的能源结构，先将太阳能、风力、潮汐能、地热能等再生能源转化成的电力来电解水产生氢气，氢气经过储存、输送通入燃料电池发电，取代当前的石油经济体系。燃料电池(fuelcells)、电解(electrolysers)与太阳能产氢装置(solarhydrogengenerators)、电化学感测器(Electrochemicalsensors)等电化学能量转换装置，在酸性环境下已发展至商用阶段，但由于使用价格昂贵及地球蕴藏量有限的铂催化剂，造成广泛应用上的阻碍；为了克服此困境，使用非铂催化剂的电化学能量转换装置为最佳取代方案，然而受限于非铂催化剂在碱性环境下的电化学反应速度太慢，导致能量转换效率太低，导致发展迟滞不前。碱性环境下的燃料电池、电解与太阳能产氢装置、电化学感测器的发展关键挑战之一为氢电极反应，氢气氧化反应(HydrogenOxidationReaction,HOR)与产氢反应(HydrogenEvolutionReaction,HER)在酸性环境下的反应动力相当快；但在碱性环境下的氢气氧化与产氢反应的反应动力则相当慢。因此，开发高活性的氢气氧化与氢气析出催化剂为碱性环境下的燃料电池、电解与太阳能产氢装置、电化学感测器的首当要务。
技术实现思路
本专利技术提供一种碱性电化学能量转换反应用催化剂组合物，具有高反应活性并能降低催化剂成本。本专利技术另提供一种电化学能量转换的方法，可在碱性环境下具有高反应活性。本专利技术的碱性电化学能量转换反应用催化剂组合物，其包括载体以及附着在载体表面的至少一种RuXMY合金，其中M为过渡金属且X≥Y。本专利技术的电化学能量转换的方法是在碱性环境下，使用上述催化剂组合物催化进行电化学能量转换反应。基于上述，本专利技术的催化剂组合物在碱性环境下具有高反应活性，能提升电化学能量转换反应的放电性能，所以可用于燃料电池、电解与太阳能产氢装置、电化学感测器等电化学能量转换装置。而且，本专利技术的催化剂组合物不含铂，所以可大幅减少催化剂的材料成本。为让本专利技术的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。附图简述图1是本专利技术的制备例中含钌-镍(Ru-Ni)合金的催化剂组合物TEM图。图2A是图1的催化剂组合物的Ru元素分布图。图2B是图1的催化剂组合物的Ni元素分布图。图3是本专利技术的制备例中含钌-镍(Ru-Ni)合金的催化剂组合物另一TEM图。图4是图3的催化剂组合物的线性扫描(lineprofile)影像分析图。图5是制备例1～7的钌-镍合金与比较例1～2的氧化电流密度相对于电位的关系图。图6是制备例4、8～10的钌-镍合金与比较例1～2的氧化电流密度相对于电位的关系图。图7是制备例8的钌-镍合金与比较例3的氧化电流密度相对于电位的关系图。图8是制备例1～7的钌-镍合金与比较例1～2的HER电流密度相对于电位的关系图。图9是制备例4、8～10的钌-镍合金与比较例1～2的HER电流密度相对于电位的关系图。图10是制备例8的钌-镍合金与比较例3的HER电流密度相对于电位的关系图。图11显示Ru3M1合金表面不同晶格位置的晶体结构示意图。图12是图11的Ru3M1合金表面不同晶格位置的氢原子吸附自由能(ΔGH)的模拟图。符号说明100、300：分析区域实施方式本专利技术是关于一种碱性电化学能量转换反应用催化剂组合物，可在碱性环境下提升电化学能量转换反应的效率。本专利技术的催化剂组合物包括载体以及附着在载体表面的至少一RuXMY合金，其中M为过渡金属且X≥Y。本专利技术所谓的“碱性电化学能量转换反应”是指在碱性环境下进行的电化学能量转换反应，例如氢气氧化反应(hydrogenoxidationreaction,HOR)或产氢反应(hydrogenevolutionreaction,HER)。前述RuXMY合金的X/Y例如在1～50之间，在一实施例中，X/Y是在1～35之间。前述RuXMY合金占催化剂组合物的总质量约为0.5w％(重量百分比)～85w％之间，在一实施例中，RuXMY合金占催化剂组合物的总质量约为10w％～40w％之间。前述RuXMY合金中的M例如：镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、钛(Ti)、铜(Cu)或锌(Zn)。因此RuXMY合金可列举为钌-镍、钌-钴、钌-铁、钌-锰、钌-铬、钌-钒、钌-钛、钌-铜或钌-锌合金。前述载体可为导电材料或抗腐蚀材料；举例来说，载体包括碳材、金属氧化物或金属材料。本专利技术的催化剂组合物可应用于包含燃料电池、电解、太阳能产氢与电化学感测器等相关电化学能量转换反应中。因此，本专利技术还提供一种电化学能量转换的方法，是在碱性环境下，使用上述催化剂组合物催化进行电化学能量转换反应。举例来说，可在碱性环境下，催化进行如氢气氧化反应(HOR)的电化学能量转换反应。HOR：H2+2OH-→2H2O+2e-。另外，也可在碱性环境下，催化进行如产氢反应(HER)的电化学能量转换反应。HER：2H2O+2e-→H2+2OH-。以下列举数个实验例来验证本专利技术的功效，但以下实验例并非用以限制专利技术的范围。〈催化剂组合物的制备〉利用修饰(modified)Watanabe方法制备催化剂。将适量NiCl2-6H2O水溶液中加入H2O2后，以1MNaOH调整pH值为6，此为溶液A。取适量RuCl3-3H2O水溶液，以0.6MNa2CO3将溶液pH值调为4，加入适量的NaHSO3，在80℃下反应30分钟，此为溶液B。将适量碳黑ECP300与溶液B混合后为溶液C，溶液C经超音波震荡30分钟后，将溶液A加入溶液C混合均匀，再以1MNaOH将溶液pH调为6，并在100℃下回流加热8小时后，利用离心将催化剂粉末分离出来，在80℃烘箱中进行干燥，最后再以500℃氢气环境下(10％H2/Ar)还原2小时，即可得到含RuXMY合金的催化剂组合物。按照上述制备方法与下表1记载的材料重量，制作表2制备例1～10的催化剂组合物，其中制备例1～7的催化剂组合物为RuXMY合金占催化剂组合物的总质量的20w％(重量百分比)，其中制备例8、制备例9、制备例10的催化剂组合物为RuXMY合金占催化剂组合物的总质量的10w％、30w％、40w％(重量百分比)。表1NiCl2-6H2O(g)RuCl33H2O(g)ECP300(g)制备例10.06180.02270.096制备例20.03570.03920.096制备例30.01580.0520.096制备例40.01230.05420.096制备例50.010.05560.096制备例60.00850.05650.096制备例70.08160.009960.096制备例80.01230.05420.216制备例90.00920.04060.042制备例100.02460.10840.072表2〈分析〉将制备得到的含钌-镍(Ru-Ni)合金的催化剂组合物的制备例4，进行电子能量损失谱(Electronenergylosss本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种催化剂组合物，其特征在于所述催化剂组合物包括：载体；以及至少一种Ru

【技术特征摘要】
2016.12.08 TW 105140556;2015.12.27 US 62/271,310;21.一种催化剂组合物，其特征在于所述催化剂组合物包括：载体；以及至少一种RuXMY合金，附着在所述载体表面，其中M为过渡金属，且X≥Y，所述催化剂组合物是用于碱性电化学能量转换反应。2.如权利要求1所述的催化剂组合物，其中所述RuXMY合金的X/Y为1～50。3.如权利要求1所述的催化剂组合物，其中所述RuXMY合金占所述催化剂组合物总质量的0.5w％～85w％。4.如权利要求1所述的催化剂组合物，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄秋萍，蔡丽端，黄炳照，潘俊仁，郑皓升，毛钰翔，蔡孟哲，林俊男，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71